功能材料透明陶瓷課件

透光陶瓷卡西歐EXILIMEX-S500

LURACERA是2001年2月村田制作所成功開發(fā)的透明多晶體陶瓷。這種多晶體陶瓷廣泛應(yīng)用于微波和毫波的電介質(zhì)諧振器，具有優(yōu)良的電子特性，高透光率和折射系數(shù)，它同時(shí)也具備良好的無(wú)雙折射光學(xué)特征。0.透明陶瓷的發(fā)展目前已經(jīng)開發(fā)的透明陶瓷有氧化鋁透明陶瓷、氧化釔透明陶瓷、氧化鋯透明陶瓷以及電光透明陶瓷和激光透明陶瓷等。第一例透明陶瓷是1962年在美國(guó)制備成功的氧化鋁透明陶瓷。氧化鋁透明陶瓷是最早投入生產(chǎn)的透明陶瓷材料。將MgO、ZnO、NiO、La2O3等添加劑摻入高純細(xì)散的Al2O3粉末中壓制成型,并在氫氣保護(hù)下或真空中焙燒,即可完全消除氣孔,制得具有較高透明度的陶瓷材料。AlN陶瓷是另一種典型的透明陶瓷,它最早是由美國(guó)在20世紀(jì)60年代研發(fā)成功,到了90年代其制備工藝和應(yīng)用技術(shù)逐漸得到發(fā)展。氮化鋁透明陶瓷表現(xiàn)出硬度較高、熱導(dǎo)率較高、電導(dǎo)率較低、介電損耗較低、熱膨脹系數(shù)較低、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良等諸多優(yōu)異性能。PLZT電光陶瓷是一種典型的透明鐵電陶瓷,1970年G.H.Haertling[4]首次制備了PLZT透明陶瓷。PLZT透明陶瓷是通過(guò)在ZrO、TiO、PbO中摻入少量LaO經(jīng)過(guò)粉體混合、壓力成形和高溫?zé)Y(jié)而成的。這種材料具有較高的光透過(guò)率和電光效應(yīng),人工極化后還具有壓電、光學(xué)雙折射等特性。主要用于制作光調(diào)制器、光衰減器、光隔離器、光開關(guān)等光電器件,也可制成PLZT薄膜,在電光和光學(xué)方面具有較多的應(yīng)用。0.透明陶瓷的發(fā)展(1)易制造，用提拉法制備單晶需要幾周，但是制備陶瓷只需幾天時(shí)間。而且陶瓷徹底燒結(jié)溫度通常都大大低于它的熔融溫度;(2)費(fèi)用了氏。單晶需要在昂貴的銥(Ir)或鉑(Pt)甘鍋里生長(zhǎng)，而陶瓷棒不需要甘鍋，而且生長(zhǎng)速度較快。一般單晶的費(fèi)用隨它的尺寸增加而成倍增加，而陶瓷不然(3)尺寸大。單晶的生長(zhǎng)方式限制了晶體的尺寸，因而就限制了潛在的輸出功率?，F(xiàn)在最大的單晶尺寸為23cm長(zhǎng)，但現(xiàn)在制得的多晶陶瓷的長(zhǎng)度已達(dá)到單晶的2倍;(4)大批量生產(chǎn)。陶瓷激光棒適合流水線作業(yè)，減少了時(shí)間和費(fèi)用，單晶卻不然。多晶陶瓷相對(duì)單晶有以下優(yōu)點(diǎn)0.透明陶瓷的發(fā)展1.光學(xué)透明性的影響因素1.1、本征影響因素多數(shù)陶瓷材料屬于電介質(zhì)多晶體,這種多晶體一般有兩個(gè)重要的共振區(qū)產(chǎn)生吸收光譜帶。一是束縛電子躍遷產(chǎn)生的本征吸收帶,如圖所示,左側(cè)的紫外截止波段,另一個(gè)是共振吸收帶,是光學(xué)支的晶格振動(dòng)帶。透明材料的透過(guò)率與波長(zhǎng)的關(guān)系在本征吸收帶,非金屬材料對(duì)于光子的吸收有如下3種機(jī)理:電子極化;電子受激發(fā)吸收光子而躍遷禁帶;電子躍遷進(jìn)入位于禁帶中的雜質(zhì)或缺陷能而吸收光子。當(dāng)光子能量hν>Eg(禁帶寬度)時(shí),電子吸收光子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶上,即:式中h—Plank常數(shù);c—光速;λ—光波波長(zhǎng);才能吸收光子。因此,禁帶寬度越大,紫外吸收端的截止波長(zhǎng)就越小。而對(duì)于雜質(zhì)引起的吸收比Eg小的很多的光子能量,則可將電子和空穴分別激發(fā)到導(dǎo)帶和價(jià)帶上。1.光學(xué)透明性的影響因素介質(zhì)透過(guò)率高低,也就是介質(zhì)吸收的光波能量的多少,不僅與介質(zhì)的電子的能帶結(jié)構(gòu)有關(guān),還與光程有關(guān),也就是與光穿過(guò)的介質(zhì)厚度有關(guān)入射光的強(qiáng)度為ＩＯ,那么經(jīng)過(guò)x厚度的介質(zhì),其光強(qiáng)度將下降,光的強(qiáng)度將變成Ｉ．α─介質(zhì)對(duì)光的吸收系數(shù)不同材料的α又有很大的差別,空氣的α≈10-5cm-1,對(duì)于金屬來(lái)說(shuō),α值在104cm-

1數(shù)量級(jí)以上。因此,對(duì)于可見光,金屬是不透明的1.光學(xué)透明性的影響因素對(duì)于陶瓷、玻璃等電介質(zhì)材料，材料的吸收率或吸收系數(shù)在可見光范圍內(nèi)是比較低的。這是因?yàn)殡娊橘|(zhì)材料的價(jià)電子所處的能帶是填滿的，它不能吸收光子而自由運(yùn)動(dòng)，而光子的能量不足以使價(jià)電子躍遷到導(dǎo)帶，因而在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)吸收系數(shù)很小。所以，陶瓷材料的可見光吸收損失相對(duì)來(lái)說(shuō)是較小的，在影響透光率的因素中不占主要地位。1.光學(xué)透明性的影響因素材料的反射系數(shù)和影響因素達(dá)到透明介質(zhì)右側(cè)的光強(qiáng)為如果兩種介質(zhì)折射率相差很大,因此反射損失相當(dāng)大;若兩種介質(zhì)折射率相同,則R=0,光透過(guò)后幾乎沒(méi)有損失。由于陶瓷、玻璃材料的折射率比空氣的大,所以損失比較嚴(yán)重1.光學(xué)透明性的影響因素隨著溫度上升,折射率增大,透過(guò)率逐漸減少,所以折射率隨溫度的變化而影響到透過(guò)率。溫度、透過(guò)率與折射率之間的關(guān)系1.光學(xué)透明性的影響因素對(duì)于透明材料的紅外截止波段,隨著溫度的升高而使原子能量增大,原子的振動(dòng)頻率增大,因而共振吸收截止頻率增大,因此紅外截止波長(zhǎng)縮短,具有藍(lán)移的趨勢(shì)。藍(lán)寶石在不同溫度下的透過(guò)率1.光學(xué)透明性的影響因素1.3制備影響因素陶瓷材料制備因素的影響,這里主要包括雜質(zhì)、氣孔、晶界、微裂紋以及表面的粗糙度等方面。光通過(guò)陶瓷材料會(huì)受到一系列阻礙,這就導(dǎo)致多晶陶瓷不可能有單晶、玻璃那樣的透明,從而使得多數(shù)陶瓷看上去不透明。1.3.1原料原料的純度是影響透明性諸多因素中的主要因素之一,原料中雜質(zhì)容易生成異相,形成光的散射中心,如圖所示,減弱透射光的在入射方向的強(qiáng)度,降低陶瓷的透過(guò)率,甚至失透。陶瓷內(nèi)光散射示意圖1.光學(xué)透明性的影響因素1.3.2燒成制度燒成制度影響陶瓷材料的透明度,一般的陶瓷燒結(jié)溫度更高才能排除氣孔,達(dá)到透明化燒結(jié)。燒結(jié)透明陶瓷時(shí),要根據(jù)燒結(jié)材料的性能和坯體的性能及大小來(lái)確定最高燒結(jié)溫度。燒結(jié)透明陶瓷時(shí),必須控制升溫速度,確保整個(gè)坯體均勻加熱,控制晶體生長(zhǎng)速度和晶粒尺寸,并達(dá)到消除氣孔的目的。保溫時(shí)間的選擇可依照晶粒的大小和氣孔有無(wú)而定,冷卻制度的確定應(yīng)以陶瓷無(wú)變形且無(wú)內(nèi)應(yīng)力為準(zhǔn)。1.3.2.1燒結(jié)溫度透明陶瓷和普通陶瓷不同,最后需經(jīng)真空、氫氣氣氛或其它氣氛中燒成。在真空或氫氣氣氛中,陶瓷燒結(jié)體的氣孔被置換后很快的進(jìn)行擴(kuò)散,從而達(dá)到消除氣孔的目的,使用這種燒結(jié)方法能達(dá)到陶瓷透明1.3.2.2氣氛1.光學(xué)透明性的影響因素由于陶瓷屬于光學(xué)不均勻體系，光會(huì)被物質(zhì)內(nèi)結(jié)構(gòu)不均勻區(qū)域的散射中心散射。光散射系數(shù)由下列三個(gè)因素決定陶瓷中光散射中心示意圖1.光學(xué)透明性的影響因素1.4顯微結(jié)構(gòu)的影響:(1)由雜質(zhì)和添加物析出不同相以及燒結(jié)過(guò)程中殘余氣孔引起的散射(2)由空穴、位錯(cuò)等晶體結(jié)構(gòu)不完整造成的光散射(3)在晶體具有各相異性情況下，由于在晶界等折射率不連續(xù)界面上產(chǎn)生的反射、雙折射顯示出的光散射。圖中Sima、b所示的析出物、殘余氣孔、晶界等不完整性和組成的不均勻性引起光散射系數(shù)。SOP則為光學(xué)各向異性所造成的在折射率不連續(xù)界面的散射系數(shù)(圖c所示)。1.4.1氣孔率對(duì)透明陶瓷透光性能影響最大的因素是氣孔率,可更細(xì)分為氣孔尺寸、數(shù)量、種類。普通陶瓷即使具有高的密度,往往也不是透明的,這是因?yàn)槠渲杏泻芏嚅]口氣孔,陶瓷體中閉口氣孔率從0.25%變?yōu)?.85%時(shí),透過(guò)率降低33%。根據(jù)平均氣孔的大小,產(chǎn)生的影響也不同:在氣孔直徑小于光波波長(zhǎng)λ/3時(shí),會(huì)產(chǎn)生Rayleigh散射;當(dāng)氣孔直徑與光波波長(zhǎng)λ相接近時(shí),會(huì)產(chǎn)生Mie散射;當(dāng)氣孔直徑大于光波波長(zhǎng)λ時(shí),會(huì)產(chǎn)生反散射折射。1.光學(xué)透明性的影響因素1.4顯微結(jié)構(gòu)的影響1.光學(xué)透明性的影響因素1.4顯微結(jié)構(gòu)的影響氣孔按種類可分為晶界氣孔和晶內(nèi)氣孔。晶體之間的氣孔處于晶界面上容易排除，它可以隨著晶界的移動(dòng)而遷移，最終排出體外，而晶體內(nèi)部的氣孔即使是小于微米級(jí)的也很難排除，而且在封閉氣孔中還可能進(jìn)入水蒸汽、氮?dú)夂吞嫉?。因此晶體內(nèi)氣孔對(duì)于獲得透明陶瓷是最危險(xiǎn)的，從而應(yīng)在任何工藝階段防止氣孔的產(chǎn)生。氣孔的尺寸對(duì)透光性能的影響主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面當(dāng)氣孔的尺寸小于入射光波長(zhǎng)的1/3時(shí)，則氣孔尺寸越小個(gè)數(shù)越少，陶瓷和氣孔的折射率差別越小，散射光的比例就越小，透光率越高。1.光學(xué)透明性的影響因素1.4顯微結(jié)構(gòu)的影響1.光學(xué)透明性的影響因素1.4顯微結(jié)構(gòu)的影響當(dāng)散射中心的大小接近或等于光的波長(zhǎng)時(shí)，則以Mie散射為主體的散射。散射系數(shù)Sim為:其中c、k為常數(shù);V為散射中心體積;N為單位體積內(nèi)的散射中心數(shù);λ為入射光波長(zhǎng)。當(dāng)氣孔等散射中心的尺寸與入射光波長(zhǎng)基本上相等時(shí)，散射最大，透光率最低。氣孔率超過(guò)%1的氧化物陶瓷基本上是不透明的，因此，生產(chǎn)具有較高透光率陶瓷的一個(gè)主要條件，就是最大限度的降低增加光散射的殘余氣孔率，特別是顯微氣孔率。陶瓷內(nèi)的氣孔因?yàn)榫哂胁煌鈱W(xué)性質(zhì)的相界，使光產(chǎn)生反射與折射，因而眾多氣孔使陶瓷不透明。在封閉氣孔中還可能進(jìn)入水蒸汽和氮?dú)獾?。因此，晶體內(nèi)氣孔對(duì)于獲得透明陶瓷是最危險(xiǎn)的，從而應(yīng)在任何工藝階段防止氣孔的產(chǎn)生。1.光學(xué)透明性的影響因素1.4顯微結(jié)構(gòu)的影響近年來(lái)高透過(guò)率的透明陶瓷作為激光介質(zhì)方面的應(yīng)用成為全球的研究熱點(diǎn)。然而這些陶瓷都局限于立方晶系，如YAG和Y2O3。對(duì)于非立方系的陶瓷，如Al2O3和AlN，其雙折射是難以避免的，故其直線透過(guò)率較低（Al2O3~15%）。我們的目的是依照光軸將晶粒進(jìn)行排列，使光通過(guò)時(shí)兩邊的環(huán)境是一致的，這樣多晶材料的透過(guò)率才能顯著的提高。這種方法能夠應(yīng)用到單軸的多晶材料，包括四方系、六方系和三方系。非立方系陶瓷晶界的雙折射現(xiàn)象1.光學(xué)透明性的影響因素1.4.2晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)決定陶瓷多晶體的光學(xué)性能,直接影響其透過(guò)率,晶體光學(xué)性能的各向異性損害陶瓷的透過(guò)率,具有雙折射效應(yīng),在晶界處造成界面反射損失而降低透過(guò)率。著重指出的是,對(duì)于立方晶體結(jié)構(gòu)的陶瓷,由于其各向同性,光線進(jìn)入陶瓷內(nèi)部,不會(huì)產(chǎn)生雙折射效應(yīng)。1.光學(xué)透明性的影響因素1.4.4第二相要控制陶瓷中第二相的生成，在陶瓷生產(chǎn)的過(guò)程中，我們應(yīng)注意原料與添加劑的選擇。生產(chǎn)透明陶瓷應(yīng)使用高純度、高細(xì)散、高燒結(jié)活性粉料。高純度可減少第二相的析出;高細(xì)散可保障高的燒結(jié)活性。有時(shí)為了獲得透明陶瓷，我們使用添加劑。添加劑對(duì)透明陶瓷的影響，1.光學(xué)透明性的影響因素具體表現(xiàn)在以下三個(gè)方面:(l)晶界偏析，抑制晶界的移動(dòng)速度;(2)形成液相，通過(guò)液相燒結(jié)促進(jìn)致密;(3)改變晶相的結(jié)構(gòu)缺陷。由于添加劑在晶界處偏析，抑制了晶粒生長(zhǎng)而縮短了晶粒內(nèi)氣孔的擴(kuò)散路程。因此達(dá)到迅速消除氣孔的效果，使燒結(jié)體致密化速度加快。在使用添加劑時(shí)我們應(yīng)注意以下兩個(gè)方面的問(wèn)題:(l)添加劑應(yīng)能均勻的分布于原材料中，抑制晶粒生長(zhǎng)，否則會(huì)產(chǎn)生偏析;(2)添加劑的用量應(yīng)適量，當(dāng)添加劑越過(guò)固溶限度時(shí)，過(guò)剩的添加物在晶界處析出，使得Sim變大，相反使其透光率變得更差。1.光學(xué)透明性的影響因素然而過(guò)量的添加劑反而會(huì)產(chǎn)生第三相，影響陶瓷的透光性。1.光學(xué)透明性的影響因素材料對(duì)周圍環(huán)境的相對(duì)折射率大，反射損失也大。而且，材料表面的光潔度也影響透光性能。燒結(jié)后未經(jīng)處理的陶瓷表面具有較大的粗糙度，即呈現(xiàn)微小的凹凸起伏，光線入射到陶瓷表面上會(huì)發(fā)生漫反射。其表面的粗糙度越大，則其透光性能就越差。對(duì)一不透明材料，測(cè)量單一入射光束在不同方向上的反射能量，得到如圖結(jié)果。一般應(yīng)對(duì)陶瓷的表面進(jìn)行研磨和拋光。只有在陶瓷表面的光潔度達(dá)到11一13級(jí)光潔度后，才可能把透光率提高到受燒結(jié)時(shí)陶瓷吸收中心和散射中心清除率制約的最高可能程度。粗糙度增加的鏡反射、漫反射能量圖1.4.5表面加工粗糙度1.光學(xué)透明性的影響因素1.4.4表面加工粗糙度實(shí)驗(yàn)中對(duì)同一樣品拋光前和拋光后分別進(jìn)行了光透過(guò)率的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖所示。試樣拋光后最大光透過(guò)率從14.2%增長(zhǎng)到32.3%，表明提高表面加工光潔度，透光性能增加，與理論分析相符。試樣拋光前后的透光率陶瓷表面進(jìn)行研磨和拋光,經(jīng)研磨后的陶瓷的透過(guò)率一般可從40%～45%增加到50%～60%以上,拋光可能達(dá)到80%以上2.透明陶瓷的制備陶瓷材料的透光性受其氣孔率、晶體結(jié)構(gòu)、原料與添加劑、燒成氣氛和表面加工光潔度等因素的影響較大,在制備透明陶瓷時(shí)需要精準(zhǔn)控制每一個(gè)工藝過(guò)程,以保證最終產(chǎn)品具有較高的致密度和表面光潔度、均勻而細(xì)小的晶粒、對(duì)入射光很小的選擇吸收性、晶界處沒(méi)有雜質(zhì)及玻璃相或晶界的光學(xué)性質(zhì)與微晶體差別很小以及沒(méi)有光學(xué)各向異性,晶體結(jié)構(gòu)以立方晶系最佳透明陶瓷制備的技術(shù)關(guān)鍵在于排除陶瓷材料內(nèi)部大量的氣孔,以達(dá)到陶瓷材料的氣孔率為零或接近為零。根據(jù)透明陶瓷的類型不同,制備工藝差別較大。2.1透明氮化鋁陶瓷的制備2.1.1粉料的制備對(duì)陶瓷材料來(lái)說(shuō)，其工藝對(duì)材料的各方面的性能有著極其重要的作用。而對(duì)于制粉，成型，燒結(jié)這三大工藝步驟來(lái)講，制粉工藝顯得更加重要，所以粉體的制備工藝對(duì)陶瓷的性能的影響越來(lái)越明顯，改善和提高粉體的特性是獲得性能優(yōu)異的新型陶瓷材料的關(guān)鍵。粉體制備技術(shù)細(xì)粉體的重要特征2.透明陶瓷的制備優(yōu)良的粉體是晶體的決定因素。采用粒度小的粉體可以降低燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間，使材料的驅(qū)動(dòng)力劇增。擴(kuò)散速率的增大及擴(kuò)散路徑的縮短大大加速燒結(jié)過(guò)程，使燒結(jié)溫度大幅度下降。研究表明，當(dāng)粉末粒徑從10um減小到10nm時(shí)，陶瓷粉體的擴(kuò)散速率將增大104一1012倍。此外，粉體的化學(xué)純度，化學(xué)組成的均勻性也十分重要。對(duì)于許多電子陶瓷電介質(zhì)、絕緣體、壓電體、半導(dǎo)體及磁性材料等，許多都是含有兩種以上金屬元素的復(fù)合氧化物。為了得到材料高性能，原料必須是高純度，化學(xué)組成均勻、燒結(jié)性能優(yōu)良的粉末。制成的粉末應(yīng)適宜各種不同的使用目的，所以必須控制粉末的特性。2.透明陶瓷的制備2.透明陶瓷的制備作為制造燒結(jié)制品的原料粉末，其重要特性是:(1)粒子小，粒徑分布范圍窄:(2)粒子呈球狀;(3)團(tuán)聚粒子小，團(tuán)聚強(qiáng)度低;(4)化學(xué)純度和化學(xué)組成均勻性可以控制。前驅(qū)體的制備2.2.1粉料制備(化學(xué)共沉淀)以摻雜1.0%Nd離子為例，將Y2O3和Nd2O3(均為激光純)溶于濃硝酸，配成1.Omol/L的鹽溶液。Al(NO3)3?！?H2O溶于去離子水中，配制成1.OmOL/L的硝酸鹽溶液。首先將30MOL的A13+和5Oml的(Y3+和Nd3+)鹽溶液混合，1.0%Nd離子替代Y3+離子。再加入40ml1.mol/L的(NH4)2SO4，溶液充分?jǐn)嚢杌旌?。同時(shí)滴加少量的正硅酸乙脂，用氨水調(diào)節(jié)PH值至3.6左右，然后加入60ml的CO(NH2)2。加入去離子水至1升，溶液充分?jǐn)嚢璩吻搴螅?5℃水浴加熱4一5小時(shí)，使溶液沉淀充分。將沉淀水洗、醇洗、抽濾。于電熱恒溫干燥箱120℃干燥3小時(shí)后，在1100℃鍛燒3小時(shí)。2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備2.透明陶瓷的制備尿素作為沉淀劑均勻地溶解于溶液中，水解生成OH離子，尿素的緩慢水解是整個(gè)反應(yīng)的關(guān)鍵控制部分，它不會(huì)造成溶液中反應(yīng)物濃度的局部過(guò)大。構(gòu)晶離子均勻的分布在溶液中的各個(gè)部分，與AI3+、Y3+達(dá)到分子級(jí)別的混合，因此能夠均勻的生成沉淀。尿素在溶液中的作用與反應(yīng)如下所示:2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備2.透明陶瓷的制備其中反應(yīng)(3.1)速度比較慢，而反應(yīng)(3.2)速度快，這樣就避免了沉淀劑局部過(guò)飽和度過(guò)大，使溶液產(chǎn)生大量非均勻成核的危險(xiǎn)。尿素共沉淀法對(duì)溶液的HP值控制的要求很嚴(yán)格。在混合液放入水浴恒溫器之前應(yīng)該保證溶液的HP值不至于使溶液產(chǎn)生沉淀，而當(dāng)其HP值稍微高一些，也就是剛有尿素分解時(shí)就有沉淀生成，所以這是一個(gè)臨界值，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)得該臨界值為3.8左右。反應(yīng)之后應(yīng)用氨水調(diào)節(jié)PH值至8左右，否則影響產(chǎn)量?；瘜W(xué)共沉淀法制取的粉末普遍存在團(tuán)聚現(xiàn)象，尤其是大的硬團(tuán)聚體危害很大。根據(jù)熱力學(xué)原理，超細(xì)粒子的團(tuán)聚現(xiàn)象是體系自由焓降低的一種自發(fā)趨勢(shì)，關(guān)鍵是要減小團(tuán)聚體的尺寸和團(tuán)聚體強(qiáng)度，即防止大的硬團(tuán)聚體產(chǎn)生,文獻(xiàn)已報(bào)道通過(guò)洗除Cl一、NO3一，再經(jīng)有機(jī)溶劑脫水，減小表面張力的影響，對(duì)解決硬團(tuán)聚問(wèn)題有積極的效果。一些學(xué)者認(rèn)為物理配位結(jié)合的H2O分子之間的氫鍵作用是引起橋氧鍵的關(guān)鍵.采用了乙醇等醇類溶劑洗滌共沉淀物以移除吸附水和化學(xué)及物理配位水。由于醇類溶劑具有良好的潤(rùn)滑性和一定的降低表面張力的作用.2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備2.透明陶瓷的制備N:dYAG前驅(qū)體的鍛燒共沉淀法所制備的前驅(qū)體必須在適當(dāng)?shù)臏囟儒憻蟛趴梢缘玫接糜诔尚偷男再|(zhì)優(yōu)良的粉體。參考前驅(qū)體粉末的TG一DTA分析可以得出大致的鍛燒溫度，但是考慮到TG一DTA分析的滯后效應(yīng)，并非在這個(gè)粒度與鍛燒溫度的關(guān)系2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備2.透明陶瓷的制備溫度進(jìn)行熱處理就可以得到性能最佳的粉體。鍛燒溫度的選擇是決定粉體性能的一個(gè)很重要的因素，如果過(guò)低，則無(wú)法得到完全晶化的YAG多晶相，過(guò)高則粉體粒徑變大。從圖中可以看出隨著溫度的升高，粒徑有十分明顯的增大的趨勢(shì)，這不利于提高陶瓷素坯密度和燒結(jié)。尿素共沉淀法前驅(qū)體的TG一DTA曲線圖為尿素共沉淀法制備的粉體在空氣中由室溫加熱到1200℃時(shí)的TG一DTA曲線，以純A12O3作為參照物，升溫速度為5℃/mi。。就尿素共沉淀法所制備的前驅(qū)體而言，熱重分析可分為兩個(gè)部分進(jìn)行，第一部分是在溫度100℃至500℃左右，對(duì)應(yīng)吸附水和碳酸鹽的分解，失重約為25一30%;第二部分是在溫度800℃至1150℃，為結(jié)構(gòu)水和氨鹽的分解，失重約在10一15%左右，總的失重量為40%。2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備2.透明陶瓷的制備尿素共沉淀法制備的粉體鍛燒后的XRD分析2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備2.透明陶瓷的制備2.透明陶瓷的制備●特種陶瓷成型方法2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備●共沉淀法合成釔鋁石榴石納米粉體按摩爾比n(Al):n(Y)=5:3稱取一定質(zhì)量的硝酸鋁[Al(NO3)3·9H2O，純度為99.99%，以質(zhì)量計(jì)，下同]和硝酸釔[Y(NO3)3·6H2O，純度為99.99%]，用去離子水配制Al(NO3)3和Y(NO3)3的混合溶液，其中[Al3+]=0.1mol/L，[Y3+]=0.06mol/L。取NH4HCO3(分析純)，用去離子水配制成摩爾濃度為1mol/L的溶液，將配制的NH4HCO3溶液逐滴滴加到攪拌的Al(NO3)3和Y(NO3)3混合溶液中，直到混合溶液的pH為8左右。滴定完畢后繼續(xù)攪拌4～6h，使反應(yīng)完全。用去離子水和無(wú)水乙醇反復(fù)洗滌漿料并抽濾，以除去漿料中殘存離子。濾餅在90℃的烘箱內(nèi)干燥，研磨過(guò)200目(孔徑約75μm)篩，并在1000～1200℃之間煅燒前驅(qū)體。把優(yōu)化條件下制備的YAG納米粉體用鋼模在50MPa的壓強(qiáng)下壓制成圓片，然后冷等靜壓(200MPa)得到素坯，最后，陶瓷素坯在1700～1800℃真空燒結(jié)，保溫時(shí)間在10h以上。所制備的YAG透明陶瓷在氧化氣氛中進(jìn)行退火處理(1450℃，20h)，然后對(duì)樣品雙面拋光。2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備前驅(qū)體的熱分析1000～1200℃煅燒后YAG前驅(qū)體的TG–DTA曲線在流動(dòng)空氣中進(jìn)行前驅(qū)體的熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，升溫速率為10/℃/min，最高溫度為1200℃。在400℃以下，質(zhì)量損失主要是結(jié)晶水、吸附水和NH3的釋放。DTA曲線中109.4℃和192.2℃出現(xiàn)的2個(gè)吸熱峰，對(duì)應(yīng)的是前驅(qū)體中吸附水與結(jié)晶水的失去，937.6℃處出現(xiàn)的放熱峰為中間相YAG結(jié)晶所致。當(dāng)溫度達(dá)到1029.5℃附近時(shí)，出現(xiàn)1個(gè)較強(qiáng)的放熱峰，而TG曲線中沒(méi)有出現(xiàn)質(zhì)量損失，說(shuō)明該放熱峰對(duì)應(yīng)的是YAG相的生成和晶粒長(zhǎng)大過(guò)程。通過(guò)TG–DTA曲線可以確定最佳的煅燒溫度為1000℃左右。2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備YAG粉體的相分析YAG前驅(qū)體在不同溫度煅燒5h后所得粉體的XRD譜前驅(qū)體在1000℃煅燒5h后，已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變成純立方相AG，其中主XRD峰對(duì)應(yīng)于YAG的(420)晶面，無(wú)其它雜相存在。隨著煅燒溫度增加，XRD峰變得更加尖銳、半高寬變小，說(shuō)明隨著溫度升高，粉體晶粒長(zhǎng)大。2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備YAG粉體的形貌分析當(dāng)前驅(qū)體在1000℃煅燒后所得的YAG粉體近似球形，顆粒邊界清晰，單個(gè)顆粒的輪廓非常明顯，顆粒直徑約為100nm左右且大小分布均勻，粉體顆粒之間出現(xiàn)了少量燒結(jié)頸。當(dāng)煅燒溫度為1200℃時(shí)，粉體顆粒之間出現(xiàn)較明顯的燒結(jié)頸。綜合FESEM照片形貌，在1000℃煅燒溫所得的YAG粉體顆粒尺寸細(xì)小、無(wú)團(tuán)聚、形狀近似球形，有利于YAG透明陶瓷的燒結(jié)。當(dāng)煅燒溫度達(dá)到1200℃時(shí)，YAG顆粒之間出現(xiàn)了大量燒結(jié)頸，不利于YAG透明陶瓷的制備。1200℃1000℃煅燒2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備YAG透明陶瓷FESEM顯微結(jié)構(gòu)在陶瓷熱腐蝕表面，可以清晰地觀察到晶粒相、晶界相，在晶粒內(nèi)和晶界上有少量的氣孔和雜質(zhì)相存在。晶粒分布比較均勻，尺寸約為10μm左右，同時(shí)也存在部分晶粒的異常長(zhǎng)大。為陶瓷的斷裂面顯微結(jié)構(gòu)，材料斷裂行為大部分為穿晶斷裂，這也是因?yàn)樵跓Y(jié)過(guò)程中出現(xiàn)了晶粒長(zhǎng)大所致。由于陶瓷微觀結(jié)構(gòu)中存在少量氣孔，形成了光散射體中心，從而在一定程度上降低了YAG透明陶瓷片的透光率。2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備2.透明陶瓷的制備●選擇結(jié)合劑，要考慮以下因素:l)結(jié)合劑能被粉料潤(rùn)濕是必要條件。當(dāng)粉料的臨界表面張力或表面自由能比結(jié)合劑的表面張力大時(shí)，才能很好地潤(rùn)濕。2)好的結(jié)合劑易于被粉料充分潤(rùn)濕，且內(nèi)聚力大。當(dāng)結(jié)合劑被粉料潤(rùn)濕時(shí)，在相互分子間發(fā)生引力作用，結(jié)合劑與粉料間發(fā)生紅結(jié)合(一次結(jié)合)，同時(shí)，在結(jié)合劑分子內(nèi)，由于取向、誘導(dǎo)、分散效果而產(chǎn)生內(nèi)聚力(二次結(jié)合)。雖然水也能充分潤(rùn)濕，但水易揮發(fā)，分子量較小，內(nèi)聚力小，不是好的結(jié)合劑。按各種有機(jī)材料內(nèi)聚力大小順序，用基表示可排列如下:2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備3)結(jié)合劑的分子量大小要適中。要想充分潤(rùn)濕，希望分子量小，但內(nèi)聚力弱。隨著分子量增大，結(jié)合能力增強(qiáng)。但當(dāng)分子量過(guò)大時(shí)，因內(nèi)聚力過(guò)大而不易被潤(rùn)濕，且易使坯體產(chǎn)生變形。為了幫助分子內(nèi)的鏈段運(yùn)動(dòng)，此時(shí)要適當(dāng)加入增塑劑，在其容易潤(rùn)濕的同時(shí)，使結(jié)合劑更加柔軟，便于成型。2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備采用聚乙烯醇作為粘合劑，丙三醇作為增塑劑。聚乙烯醇是呈絮狀、片狀、粒狀、粉末狀的固態(tài)顆粒。乙烯醇樹脂系列產(chǎn)品均可以在95℃以下的熱水中溶解，因其聚合度、醇解度等不同在溶解時(shí)間、溫度上有一定的差異。溶解時(shí)，可邊攪拌邊將聚乙烯醇緩緩加入20℃左右的冷水中充分溶解、分散，在弱酸性條件下溶解效果更好。而后升溫到95℃左右加速溶解，并保溫2一2.5小時(shí)，直到溶液不含有微小顆粒。2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備冷等靜壓成型、超高壓成型法、橡膠等靜壓成型和離心注漿成型等?！癯尚?.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備●燒結(jié)關(guān)于特種陶瓷燒結(jié)的研究，最主要的問(wèn)題都是討論如何控制晶粒的長(zhǎng)大和消除氣孔，換句話說(shuō)，就是如何使陶瓷在晶粒不長(zhǎng)大或長(zhǎng)大很少的前提下實(shí)現(xiàn)致密化。因此，當(dāng)前在制備特種陶瓷的研究中，人們從燒結(jié)動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，采取了多種方法控制晶粒的長(zhǎng)大，除了前面己敘述的包括使用性能良好的粉體，采用超高壓新型成型方法外，可供選擇的途徑還有選擇適當(dāng)?shù)奶砑觿┖筒捎眯滦偷臒Y(jié)方法和燒結(jié)工藝等。適當(dāng)?shù)奶砑觿┠苡行У亟档吞沾傻臒Y(jié)溫度，抑制晶粒的長(zhǎng)大，但也能引入不希望的雜相，因此尋求新的燒結(jié)方法和燒結(jié)工藝便成為研究的重點(diǎn)。2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備普通陶瓷的燒結(jié)一般不必過(guò)分考慮晶粒的生長(zhǎng)，而在透明陶瓷的燒結(jié)過(guò)程中必須采取一切措施控制晶粒過(guò)分長(zhǎng)大。一些常常使用的燒結(jié)方法如下2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備●無(wú)壓燒結(jié)無(wú)壓燒結(jié)設(shè)備簡(jiǎn)單、易于工業(yè)化生產(chǎn)，是目前最基本的燒結(jié)方法。這種方法也被廣泛的應(yīng)用于納米陶瓷的燒結(jié)，主要通過(guò)燒結(jié)制度的選擇來(lái)達(dá)到晶粒生長(zhǎng)最少的前提下使坯體實(shí)現(xiàn)致密化，因?yàn)樵跓Y(jié)過(guò)程中，顆粒粗化(Coarsening)、素坯致密(DensifiCation)、晶粒生長(zhǎng)(GrainGrwoht)三者的活化能不相同，其中Qg>Qd>Qc。因此，這三者的動(dòng)力學(xué)過(guò)程與溫度有不同的依賴關(guān)系。利用這種關(guān)系，就可通過(guò)燒結(jié)溫度的控制，獲得致密化速率大、晶粒生長(zhǎng)較慢的燒結(jié)條件。燒結(jié)制度的控制，主要是控制升(降)溫速度。保溫時(shí)間及最高溫度等。最常用的無(wú)壓燒結(jié)為等速燒結(jié)。無(wú)壓燒結(jié)中，由于溫度控制是唯一可控制的因素，故對(duì)材料燒結(jié)的控制相對(duì)比較困難，致密化過(guò)程受到粉體性質(zhì)、素坯密度等因素的影響十分嚴(yán)重。●熱壓燒結(jié)制備YAG陶瓷熱壓燒結(jié)是在加熱粉體的同時(shí)施加一定的壓力，使樣品的致密化主要依靠在外加壓力作用下物質(zhì)的遷移來(lái)完成的。熱壓燒結(jié)分真空熱壓燒結(jié)氣氛熱壓燒結(jié)、連續(xù)熱壓燒結(jié)等。熱壓燒結(jié)制備AYG陶瓷有一個(gè)很明顯的特點(diǎn)，就是致密化過(guò)程往往伴隨著結(jié)構(gòu)的非均勻性。2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備二次再結(jié)晶有時(shí)稱為不連續(xù)的或過(guò)分的晶粒長(zhǎng)大。它是一部分晶粒靠消耗尺寸相對(duì)小的基質(zhì)而長(zhǎng)為大尺的晶粒。一旦某一個(gè)單個(gè)晶粒長(zhǎng)大到那樣的尺寸，以致比鄰近晶粒的都具有更多條邊時(shí)，則每條邊的曲率都增大，并目它的生長(zhǎng)比邊數(shù)少的小。粒快得多。在大晶粒邊上增大的曲率特別明顯，特別當(dāng)連續(xù)的晶粒長(zhǎng)大由于雜質(zhì)或者氣孔的存在而受到抑制時(shí)，很容易發(fā)生二次再結(jié)晶。二次再結(jié)晶2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備在這些情況下，只有曲率比平均曲率大得多的那些界面才一可以移動(dòng)，即界面高度彎曲的晶粒才能夠長(zhǎng)大，而基質(zhì)材料仍保持均勻的晶粒尺寸。大晶粒的長(zhǎng)大速率開始取決于邊數(shù)。然而，在長(zhǎng)大到某一點(diǎn)之后，在該點(diǎn)過(guò)大的晶粒直徑遠(yuǎn)大于平均晶粒直徑時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)孕育期，對(duì)應(yīng)于增大的長(zhǎng)大速率和成長(zhǎng)到足以消耗恒定晶粒尺寸的基質(zhì)而長(zhǎng)大的晶粒。因此，二次再結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)和初次再結(jié)晶的是相似的，雖然兩者的成核和驅(qū)動(dòng)力本質(zhì)上是不同的。氣泡2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備在多晶YAG陶瓷制備過(guò)程中，二次再結(jié)晶現(xiàn)象的發(fā)生較明顯。當(dāng)由細(xì)粉末制成多晶體時(shí)，則二次再結(jié)晶的程度取決于起始顆粒的大小。相對(duì)粗點(diǎn)的起始材料晶粒長(zhǎng)大的速度要小得多，這是由成核和成長(zhǎng)速率兩者造成的。在細(xì)晶粒的基質(zhì)中幾乎總是出現(xiàn)少數(shù)比平均粒度大些的顆粒，這就可以作為而次再結(jié)晶的胚芽。相反，當(dāng)起始顆粒尺寸增大時(shí)，比平均顆粒更大的晶粒出現(xiàn)的機(jī)會(huì)就大為降低，因此二次再結(jié)晶的成核就困難得多，可見起始顆粒不能太大，也不能太小，這樣才能得到有效控制二次再結(jié)晶的發(fā)生。2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備由于晶界和氣孔的相互作用是雙向的。在燒結(jié)的開始階段當(dāng)有許多氣孔存在時(shí)，晶粒長(zhǎng)大是受抑制的。但是，一旦氣孔率降低到這樣的數(shù)值以致可能發(fā)生二次晶粒長(zhǎng)大時(shí)，則在高的燒結(jié)溫度可能產(chǎn)生大幅度的晶粒長(zhǎng)大。當(dāng)晶粒長(zhǎng)大發(fā)生時(shí)，許多氣孔就會(huì)離開晶界而成為孤立狀態(tài)，并使氣孔和晶界間的擴(kuò)散距離變大，燒結(jié)速率降低。所以，為了獲得滿意的致密度，制止二次再結(jié)晶是必要的。要做到這一點(diǎn)，最滿意的方法是引入外加劑，它能制止或者減慢晶界的遷移達(dá)到可能消除氣孔的程度。多晶陶瓷的這種無(wú)孔結(jié)構(gòu)就可以用來(lái)替代單晶用于激光領(lǐng)域。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)MgO加入到A1２Ｏ３ThO２加入Y２Ｏ３中都能減慢晶界遷移，并且能通過(guò)固態(tài)燒結(jié)使這些系統(tǒng)中的氣孔完全消除。透光陶瓷領(lǐng)域中，在粉體制備的初級(jí)階段加入少量的膠體SiO2作為外加劑，起到很明顯的消除氣孔，提高透光率的作用，2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備光在物質(zhì)中散射的機(jī)理包括本征和外部因素兩大類。因含有雜質(zhì)、氣孔、晶界或其他內(nèi)部缺陷而產(chǎn)生的散射屬于外部散射。透明度會(huì)由于氣孔產(chǎn)生的散射而顯著地降低，而氣孔可以通過(guò)燒結(jié)制度來(lái)控制，起始時(shí)存在的氣孔可能改變形狀，變成連通的溝道形或者孤立的球形，而不一定改變大小。然而更常見的是氣孔的大小和形狀在燒成過(guò)程中都發(fā)生變化，當(dāng)燒成繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，氣孔就更接近球形，并且尺寸變得更小。固態(tài)過(guò)程頸部區(qū)域和顆粒表面的自由能差提供了驅(qū)動(dòng)力可使傳質(zhì)以利用的最快的方式進(jìn)行。但是當(dāng)蒸氣壓都相對(duì)比較低的時(shí)候，傳質(zhì)則更易以固態(tài)方式進(jìn)行，包括表面擴(kuò)散、晶格擴(kuò)散、或晶界擴(kuò)散，從顆粒表面、顆粒主體或從晶界遷移。在特定的系統(tǒng)中，真正對(duì)燒結(jié)工藝起顯著作用的是哪一種或者哪幾種，取決于它們的相對(duì)速率，因?yàn)槊恳环N過(guò)程都是降低系統(tǒng)自由能的平行方式。2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備透明陶瓷燒結(jié)溫度曲線在燒結(jié)的過(guò)程中，從始至終都保持真空氣氛，真空度達(dá)到10-４MPa，真空度的控制是實(shí)現(xiàn)陶瓷體致密化，降低氣孔率的另一個(gè)關(guān)鍵因數(shù)。在真空氣氛下，通過(guò)陶瓷體內(nèi)部氣孔達(dá)到負(fù)壓而將其消除，在初始階段，連通狀態(tài)氣孔絕大部分都被消除，并盡量降低后期孤島狀氣孔的密度。而通過(guò)比較得知，通過(guò)熱壓燒結(jié)來(lái)制備YAG陶瓷則質(zhì)量要差得多，甚至無(wú)法得到透光性能，其關(guān)鍵原因就是后期孤立氣孔無(wú)法排除，為了達(dá)到良好的真空度，每隔1小時(shí)就要抽一次真空，使其一直保持在10-4MPa左右。2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備為了達(dá)到陶瓷的透光性，應(yīng)該無(wú)氣孔、并且具有完善的晶界面和晶粒。除了氣孔以外，陶瓷的邊界還應(yīng)該很薄且具有光學(xué)純粹性，即光學(xué)性質(zhì)一致性。在晶體邊界上如果存在與基體結(jié)晶相光學(xué)性質(zhì)不同的第二相導(dǎo)致光的反射與折射，也使陶瓷的透明度降低。2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備1650℃1700℃1750℃1800℃2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備1850℃燒結(jié)不同時(shí)間后樣品的顯微結(jié)構(gòu)2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備從結(jié)構(gòu)分析可知:樣品基本達(dá)到了理論密度,而且晶界平直,晶界沒(méi)有存在雜質(zhì)相,因此,降低了因殘余氣孔和晶界引起的散射,使得材料有較高的透過(guò)率。2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備發(fā)光材料的性能測(cè)試相對(duì)于N:dYAG單晶發(fā)光主峰在1064mn波長(zhǎng)處，Nd:YAG多晶陶瓷光發(fā)射帶呈現(xiàn)少許“紅移”現(xiàn)象，即吸收帶和發(fā)射帶移向長(zhǎng)波長(zhǎng)。分析原因可能是由于晶粒的存在引起內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力(內(nèi)應(yīng)力p=2γ/r，r為粒子半徑，γ為表面張力)增加，這種壓應(yīng)力的增加會(huì)導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)的變化，電子波函數(shù)重疊加大，結(jié)果帶隙、能級(jí)間距變窄，這就導(dǎo)致電子由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷引起的光發(fā)射帶發(fā)生紅移。發(fā)光光譜測(cè)試2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備吸收曲線測(cè)試分光光度計(jì)是基于物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收而建立起來(lái)的一種分析方法，也是目前廣泛采用的儀器分析方法之一。它的特點(diǎn)是:靈敏度較高，精密度高，分析范圍廣，分析速度較快。激光產(chǎn)生的機(jī)理在激光器的發(fā)光過(guò)程中，始終伴隨著電子的自發(fā)輻射躍遷、受激輻射躍遷、受激吸收躍遷這三個(gè)過(guò)程。(一)自發(fā)輻射處于高能級(jí)E2的電子自發(fā)地向低能級(jí)E1躍遷，并發(fā)射出一個(gè)頻率等于γγ(E2一E1)/h(h為普郎克常數(shù))的光子的過(guò)程稱為自發(fā)輻射躍遷。自發(fā)輻射2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備(二)受激輻射處于高能級(jí)E2的電子在頻率為Y=(E2一E1)/h的輻射場(chǎng)激勵(lì)作用下，或在頻率為Y=(E2一E1)/h的光子誘發(fā)下，向低能級(jí)E1躍遷并輻射出一個(gè)與激勵(lì)輻射場(chǎng)光子或誘發(fā)光子的狀態(tài)(包括頻率、運(yùn)動(dòng)方向、偏振方向、相位等)完全相同的光子的過(guò)程稱為受激輻射躍遷。受激輻射2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備(三)受激吸收處于低能級(jí)E1上的一個(gè)電子在頻率為Y=(E2一E1)/h的輻射場(chǎng)作用下，吸收一個(gè)光子后向高能級(jí)E2躍遷的過(guò)程稱為受激吸收躍遷。通常，受激輻射與受激吸收兩種躍遷同時(shí)存在，前者使光子數(shù)增加，后者使光子數(shù)減少。常溫條件以及對(duì)發(fā)光物質(zhì)無(wú)激發(fā)的情況下，發(fā)光粒子處于下能級(jí)E1的粒子數(shù)密度n1大于上能級(jí)E2的粒子數(shù)密度n2。故此時(shí)若有頻率丫=(E2一E1)/h的一束光通過(guò)發(fā)光物質(zhì)時(shí)，受激吸收大于受激輻射，光強(qiáng)將減弱.受激吸收2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備如果采取諸如光照、放電等方法，從外界不斷地向發(fā)光物質(zhì)輸入能量，把處在E1的發(fā)光粒子激發(fā)到E2上去，便可使E2的n2超過(guò)E1的n1。這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。只要使發(fā)光物質(zhì)處在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)，受激輻射就會(huì)大于受激吸收。當(dāng)頻率為Y的光束通過(guò)發(fā)光物質(zhì)，光強(qiáng)就會(huì)得到放大，這便是激光放大器的基本原理。即便沒(méi)有入射光，只要發(fā)光物質(zhì)中有一個(gè)須率合適的光子存在，便可迅速連鎖產(chǎn)生大量相同光子態(tài)的光子，形成激光。這就是激光器的基本原理。由此可見，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光或激光放大的必要條件。為了形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，須要對(duì)發(fā)光物質(zhì)輸入能量，我們稱這一過(guò)程為激勵(lì)、抽運(yùn)或者是泵浦。2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備陶瓷激光器的發(fā)展趨勢(shì)與YAG單晶相比，未來(lái)的研究發(fā)展有以下幾個(gè)趨勢(shì):(1)首先，由于透明陶瓷的制備工藝類似于普通陶瓷的制備工藝，明顯區(qū)別于晶體的生長(zhǎng)過(guò)程，因此其尺寸可以不像晶體那樣受到生長(zhǎng)方式的限制，可以做到很大尺寸。其次，也是由于制造工藝的區(qū)別，其摻雜濃度要受到一定的限制。而且陶瓷材料固有的耐高溫性質(zhì)，因此，它很適合在大能量、高功率的固體激光器中作為工作介質(zhì)。目前的工作是完善現(xiàn)有的制造透明陶瓷的工藝，做出摻雜濃度更高，尺寸更大的透明陶瓷，并設(shè)計(jì)更好的大功率抽運(yùn)系統(tǒng)，提高最大輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備(2)目前摻Nd的透明陶瓷在吸收系數(shù)、熒光光譜、熒光壽命等方面已和Nd：、YAG單晶激光器有相似的輸出和能量轉(zhuǎn)換效率。但是陶瓷激光器輸出激光光束質(zhì)量較差，因此下一步的目標(biāo)就是設(shè)計(jì)出更好的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)單模輸出以及提高光束質(zhì)量。(3)實(shí)現(xiàn)稀土摻雜的透明陶瓷激光器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，要考慮到成本問(wèn)題。考慮到傳統(tǒng)肉瓷產(chǎn)業(yè)的成熟，可以借鑒傳統(tǒng)陶瓷的方法生產(chǎn)選明陶瓷，實(shí)現(xiàn)透明陶瓷的批量生產(chǎn)，建立比較完善的生產(chǎn)流水線。2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備(4)由于陶瓷多晶的固有性質(zhì)，因此透明陶瓷的一個(gè)可能發(fā)展方向就是多功能、多層陶瓷和調(diào)Q相結(jié)合。(5)制造陶瓷的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不受Nd摻雜材料和YAG基質(zhì)的限制?？梢該诫sEr3+、Yb3+、Dy3+、Cr3+，基質(zhì)也可以是Y2O3。稀土摻雜的Y2O3較單晶有很多優(yōu)點(diǎn)。如很難生長(zhǎng)Y2O3單晶，因?yàn)樗娜廴跍囟葹?430℃。但是的燒結(jié)溫度比它的熔融溫度低700℃，這意味著可以用真空燒結(jié)的方法來(lái)制備Y2O3陶瓷，為激光技術(shù)的發(fā)展開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。2.透明陶瓷的制備2.2透明Nd:YAG陶瓷的制備透明陶瓷的性能及應(yīng)用透明陶瓷材料不僅具有較好的透明性、耐腐蝕性,能在高溫高壓下工作,而且還有許多其他材料無(wú)可比擬的性能,如:強(qiáng)度高、介電性能優(yōu)良、電導(dǎo)率低、熱導(dǎo)性好等。人們利用透明陶瓷的高溫耐腐蝕性,制備了高壓鈉燈、銫燈、鉀燈等新型燈具;利用它的高強(qiáng)度和紅外性能,制作導(dǎo)彈頭部的紅外線整流罩;利用它的透光性、耐高溫性制作電焊面罩及核試驗(yàn)中的人體保護(hù)罩;利用它的透光性、高密度,制成具有高表面光潔度的制品。在軍事工業(yè)中,透明陶瓷還可以用來(lái)制成透明防彈材料。美國(guó)研究的用透明陶瓷代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多層玻璃透明件作為透明裝甲材料,開辟了透明陶瓷的新用途。替代的材料不僅在透明度上有大幅度提高,而且重量更輕、強(qiáng)度更高、耐久性更好、抗穿透和抗劃傷能力更強(qiáng)。在電子工業(yè)中,它被用來(lái)制造印刷線路的基板和鏤板;在化學(xué)工業(yè)中,它用來(lái)替代不銹鋼,具有很高的耐磨蝕性能;在儀表工業(yè)上,它可代替貴重的紅寶石,大大降低了成本;在日常生活中,它還可以用來(lái)制作高級(jí)餐具、器皿等。透明陶瓷的性能及應(yīng)用透明陶瓷的性能及應(yīng)用高壓鈉燈、金鹵燈用半透明氧化鋁燈管透明氧化鋁陶瓷又稱為透明多晶氧化鋁或半透明氧化鋁陶瓷。這種陶瓷對(duì)可見光和紅外光具有良好的透過(guò)性，同時(shí)也具有高溫強(qiáng)度大、耐熱性好、耐腐蝕性強(qiáng)及電阻率大等特點(diǎn)，可應(yīng)用于高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等高強(qiáng)度氣體放電燈的放電管以及透紅外窗口材料。如何精確控制燈管的形狀和尺寸是其主要的困難。透明陶瓷的性能及應(yīng)用上轉(zhuǎn)換材料在三維立體顯示，生物分子熒光標(biāo)記，上轉(zhuǎn)換激光器，上轉(zhuǎn)換防偽等方面有廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái)，伴隨半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，上轉(zhuǎn)換研究迎來(lái)了它的第二次高潮。氧化物陶瓷具有高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)；采用化學(xué)方法制備了稀土摻雜的氧化物及氟化物粉體，在氧化釔、氧化镥、釔鋁石榴石及NaYF4粉體以及相應(yīng)的透明陶瓷中實(shí)現(xiàn)了上轉(zhuǎn)換發(fā)光。透明陶瓷的上轉(zhuǎn)換發(fā)光照片

透明陶瓷的上轉(zhuǎn)換發(fā)光照片透明陶瓷的性能及應(yīng)用透明尖晶石陶瓷透過(guò)率曲線透明PLZT電光陶瓷材料的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展PLZT、PLMNT、PZN-PLZT等透明功能陶瓷具有優(yōu)異的電控雙折射、電控光散射、光致伏特、光致伸縮等效應(yīng)，可應(yīng)用于多種光學(xué)元器件，如光開關(guān)、光衰減器、光調(diào)制器等。制備透明PLZT陶瓷的主要工藝有:(1)熱壓燒結(jié),(2)通氧熱壓燒結(jié),(3)氣氛燒結(jié),(4)熱等靜壓燒結(jié)。透明PLZT電光陶瓷材料的制備及應(yīng)用研